心電信號采集和調(diào)理電路的設(shè)計

景艷梅 王硯生 何文學(xué)

摘要：心電信號是人體重要的生理信號，載有人體心臟傳導(dǎo)系統(tǒng)生理、病理信息，對心電信號的監(jiān)護是臨床上進行心臟研究和診斷心血管疾病的重要方法。針對心電信號低頻微弱特性，提出了一種基于MSP430超低功耗單片機的便攜式心電監(jiān)護系統(tǒng)的設(shè)計方案，給出了心電監(jiān)護終端硬件結(jié)構(gòu)的總體框架，重點介紹了信號調(diào)理電路的設(shè)計，包括放大電路、濾波電路及右腿驅(qū)動電路的設(shè)計。關(guān)鍵詞：心電信號；心電監(jiān)護；MSP430；降噪；信號調(diào)理

中圖分類號：TP273文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2012)01-0220-03

Design of ECG Signal Acquisition and Processing Circuit

JING Yan-mei1, WANG Yan-sheng2, HE Wen-xue1

(1.College of Physics and Electronic Information, Yunnan Normal University, Kunming 650092, China; 2.Wucheng Primary School , Kunming 650031, Yunnan）

Abstract: ECG signal is an important human physiological signal, containing the human cardiac conduction system of physiological and pathological information. The ECG monitoring is an important method performed on the heart study and clinical diagnosis of cardiovascu? lar diseases. Aiming at the weak low frequency characteristic of ECG signals, one kind of portable ECG monitoring system is proposed based on the MSP430 MCU, and the ECG monitoring terminal hardware structure of the framework is given. In this paper, the design of the signal processing circuit is focused on, including an amplifier circuit, filter circuit and the right leg drive circuit design. Key words: ECG; ECG monitor; MSP430; noise reduction; signal processing

隨著社會的進步、科技的發(fā)展及老年化社會的到來，人類的健康觀念、健康方式和途徑都發(fā)生著深刻的轉(zhuǎn)變，心臟保健成為了一個引人注目的社會問題。由于醫(yī)院傳統(tǒng)的心電圖儀體積大、成本高，不適宜家庭日常監(jiān)護使用，因此設(shè)計一款便攜式、低成本，使用方便的動態(tài)心電監(jiān)護系統(tǒng)具有重要的實際意義和需求。

1設(shè)計思想

1.1系統(tǒng)設(shè)計

基于體積、重量、電池供電等因素考慮，選取的單片機必須是低功耗的[1]。MSP430FG43X單片機是TI專門設(shè)計用于人體醫(yī)學(xué)監(jiān)護（心電、血壓、血糖）的單片機。系統(tǒng)采用MSP430FG439微處理器為核心控制芯片，不僅具有MSP430的超低功耗特性，還能大大簡化系統(tǒng)設(shè)計。心電圖（Electrocardiogram ,ECG）信號是通過心電電極探測到生物電流，并通過導(dǎo)聯(lián)線與心電信號采集器連接，將采集到的模擬電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號進行計算機分析[2]。系統(tǒng)的主要功能框圖如圖1所示。

圖2信號調(diào)理電路框圖

2.1放大器的設(shè)計

由于心電信號十分微弱，只有0.05—5mv，而且因人而異，從電極采集到的心電信號的峰峰值一般為1mv。為了便于觀察和A/D轉(zhuǎn)換，心電信號應(yīng)盡量不失真地放大到V量級。要想獲得用如此高增益的放大器來放大強噪聲背景下的低頻微弱ECG信號并不是一件容易的事情，考慮到初級放大增益太大會影響電路的直流穩(wěn)定性，前置放大器將出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，因此采用兩級放大。

2.1.1前端放大電路

在心電信號的采集和處理過程中，前置級放大電路設(shè)計是整個電路設(shè)計的最關(guān)鍵部分[5]，因為它不僅要求在心電信號頻率范圍內(nèi)不失真地放大所采集的微弱心電信號，同時要將干擾信號降低到最低水平。任何放大器都會同時放大夾雜在所需ECG信號中的各種干擾[6]，在某些情況下ECG信號往往淹沒在干擾信號中，使放大的信號毫無價值。

前置級放大電路一般都采用三運算放大器結(jié)構(gòu)實現(xiàn)，但自己搭建的三運算放大器電路，由于電子元件精度不對稱，很難達到設(shè)計所需的精度[7]。由于從電極采集到的ECG信號夾雜著各種共模干擾，為了防止ECG信號的輸出被淹沒在50Hz工頻干擾、電極極化電壓或其他共模干擾之下，一個更好的方法是使用一個差分放大器。這些共模干擾通過理想匹配的差分放大器自動地濾除掉了。本設(shè)計中采用已經(jīng)和相應(yīng)的平穩(wěn)增益電阻匹配的INA321差分放大器[8]。

INA321是美國Texas Instruments公司設(shè)計的一款微功耗、單電源的CMOS儀表放大器，它提供固定的5倍增益，可根據(jù)需要外接增益電阻任意設(shè)置增益；線性誤差最大值為2ppm，失調(diào)電壓最大值為200μV；共模抑制比為94dB，可擴展到3KHZ，有效消除了線路噪聲及線路諧波等共模干擾；工作電壓范圍：2.7V—5.5V。INA321還具有低成本，低輸入偏置電流和小封裝等特點，所以它非常適合應(yīng)用于醫(yī)療儀器?；谙到y(tǒng)選擇的單片機而言，INA321儀表放大器在單片機的工作電壓（1.8V—3.6V）下工作更穩(wěn)定，偏移電壓、偏移電流更小，更適合用于心電信號的前置放大。

2.1.2主級放大電路

經(jīng)過INA321放大后的心電信號的幅值仍較低，為了提高采集精度，將進一步被MSP430FG439中三個綜合運算放大器之一的OA0放大，如圖3所示。結(jié)合FG439中集成的A/D轉(zhuǎn)換器的測量范圍0～2.5V，將主放大電路的放大倍數(shù)設(shè)定為100倍左右，經(jīng)兩級放大后ECG信號總共被放大500倍，使輸入A/D轉(zhuǎn)換端口的心電信號幅值落在測量范圍內(nèi)。

3結(jié)束語

針對便攜式監(jiān)護儀器自身固有的特點：硬件結(jié)構(gòu)簡單、體積便于攜帶,提出了以MSP430FG439超低功耗微處理器為核心控制芯片、采用高精度的儀表放大器INA321為前置放大的設(shè)計思想,著重介紹了抗干擾的硬件解決方案,對其余系統(tǒng)的設(shè)計將在進一步的研究工作中去實現(xiàn)和完善。

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